《生化》第9版：14、基因表达调控

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14、基因表达调控

• 一、概念特点
  • 1、基因表达调控的基本概念
    • （1）基因与基因组
      • 乳糖操纵子
      • 基因
        • 是负载特定遗传信息的DNA片段，其结构包括：DNA编码序列、非编码调节序列、内含子组成的DNA区域
      • cDNA
        • 是人为地由mRNA通过反转录而得，即与mRNA互补的DNA，人为称之基因
        • 但它不含基因转录的调控序列，但是含有蛋白质合成的调控序列、多肽链的编码序列
      • 基因组
        • 指一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。人类基因组含10多万个基因，在一定时期只有部分基因处于表达状态
    • （2）基因表达及其调控
      • 基因表达
        • 是指基因转录和翻译的过程。大多数基因在一定调控下，都经历激活→转录→翻译→产生蛋白质的过程
        • 并非所有基因表达都产生蛋白质，如rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA的过程也属于基因表达，但不产生蛋白质
      • 表达调控
        • 指细胞或生物体在接受内、外环境信号刺激，在基因表达水平上作出应答的分子机制，即基因如何表达成为有功能的蛋白质，在什么组织表达，什么时候表达，表达多少等
  • 2、基因表达的规律性
    • 时间特异性
      • 是指某一特定基因的表达严格按一定的时间顺序发生多细胞生物基因表达的时间特异性，又称阶段特异性
    • 空间特异性
      • 指多细胞生物在某一特定生长发育阶段，同一基因在不同的组织器官表达不同，也称细胞特异性或组织特异性
    • 特点
      • 基因表达的时间特异性、空间特异性，由特异的基因启动子（序列）、调节序列、调节蛋白相互作用决定
  • 3、基因表达的方式
    • 
    • (1)基本表达（组成性表达）和适应性表达
      • 
    • （2）协同表达
      • 定义
        • 生物体内不同基因的表达，受到协调调节
        • 基因的协调表达体现在生物体的生长发育全过程
      • 举例
        • 在生物体内，一个代谢途径通常是由一系列化学反应组成，需要多种酶、转运蛋白的参与。这些酶、转运蛋白等的编码基因被统一调节，以确保代谢途径有条不紊地进行
  • 4、基因表达的调节——受调控序列和调节分子的共同调节
    • 顺式作用元件
      • 一个生物体的基因组既有携带遗传信息的编码序列，也有影响基因表达的调控序列。调控序列多与编码序列位于同一条DNA链上，称为顺式作用元件
    • 反式作用因子
      • 另一些调控基因远离被调控的编码序列，实际上是其他分子的编码基因，只能通过其表达产物来发挥作用。
      • 这类调控基因产物称为调节蛋白。调节蛋白不仅能对处于同一条DNA链上的结构基因的表达进行调控，而且还能 对不在同一条DNA链上的结构基因的表达起到同样的作用。这些蛋白质分子被称为反式作用因子
  • 5、基因表达的多级调控
    • 
    • 遗传信息水平
      • 遗传信息以基因的形式贮存于DNA分子中，因此基因组DNA的部分扩增可影响基因表达。为适应某种特定需要 而进行的DNA重排、DNA甲基化等，均可在遗传信息水平影响基因表达
    • 转录阶段
      • 基因表达调控可发生于DNA→RNA→蛋白质合成的任何环节，但转录起始是基因表达的基本控制点
    • 翻译阶段
      • 影响蛋白质合成的因素，也能调节基因表达
• 二、原核基因表达调控
  • 1、原核生物基因组的特点
    • 结构
      • 结构多为具有超螺旋结构的闭合环状DNA分子
    • 特点
      • ①基因组中很少有重复序列
      • ②编码蛋白质的结构基因为连续编码，且多为单拷贝基因，但编码rRNA的基因仍然是多拷贝基因
      • ③结构基因在基因组中所占的比例（50%）远远大于真核基因组
      • ④许多结构基因在基因组中，以操纵子为单位排列（原核呢？）
  • 2、操纵子
    • 绝大多数原核基因按功能相关性成簇地串联、密集在DNA上共同组成一个转录单位，称操纵子。大多原核基因表达调控是通过操纵子机制实现的。
    • 操纵子是原核基因转录调控的基本单位
    • 
      • CAP结合位点也叫特异DNA序列
    • 组成
      • （1)结构基因——数个功能有关联的基因串联排列，共同构成
      • （2）调控序列——包括启动子、操纵元件（操纵序列+特异DNA序列/CAP结合位点）
      • （3）调节基因（调节蛋白）——编码能与操纵元件结合的调控蛋白，包括阻遏蛋白（-）、激活蛋白（+）、特异因子（+/-）
    • (1）结构基因
      • 数个功能上有关联的基因串联排列，共同构成编码区
      • 特点
        • 这些结构基因共用一个启动子和一个转录终止信号序列，因此 转录合成时仅产生一条mRNA长链，为几种不同的蛋白质编码。
        • ★这样的mRNA携带了几条多肽链的编码信息，称多顺反子mRNA
    • (2)调控序列—包括启动子和操纵元件
      • ①启动子
        • 启动子是RNA聚合酶结合模板DNA的部位
        • 结构
          • E.coli启动子长40～60bp，包括2个功能区：-35、-10区
          • -35区
            • 识别区，RNA-pol σ因子可识别特异启动序列TTGACA序列
          • -10区
            • 结合区，RNA-pol β′结合模板部位，TATAAT（Pribnow盒）
      • ②操纵元件
        • 操纵序列（O序列）
          • 操纵序列与启动序列邻近，是阻遏蛋白的结合位点。
          • 操纵元件并非结构基因，而是一段能被阻遏蛋白识别、结合的DNA序列。
          • 阻遏蛋白可对基因表达产生负性调控。当阻遏蛋白与操纵序列结合时，会阻碍RNA pol与启动子的结合，而阻遏转录
        • 特异DNA序列（CAP结合位点）
          • 操纵子调控序列中，含有一种特异的DNA序列可结合激活蛋白，结合后RNA pol活性增强，介导正性调节
    • （3）调节基因——调节蛋白都是DNA结合蛋白
      • 阻遏蛋白（调节基因I编码）
        • 可识别、结合特异的操纵元件，抑制基因转录（负性调节）
      • 激活蛋白
        • 分解（代谢）物基因激活蛋白（CAP）可结合启动子邻近的DNA序列，增强RNA pol转录活性（正性调节）
      • 特异因子
        • 决定RNA pol对启动序列（P序列）的特异性识别、结合能力（±调节）
    • （4）操纵子调控序列与调节蛋白的归纳
      • 
  • 3、乳糖操纵子
    • 普遍性
      • 操纵子在原核基因表达调控中，具有普遍意义
    • 调节水平
      • 操纵子的基因表达调节属于转录水平调节（RNA pol）
    • 分类
      • 乳糖操纵子、阿拉伯糖操纵子、色氨酸操纵子等
    • 乳糖操纵子
      • 环境中没有乳糖时，乳糖代谢酶基因处于关闭状态
      • 当环境中有乳糖时，乳糖代谢酶基因被诱导开放，合成代谢乳糖所需要的酶
    • (1)乳糖操纵子的结构
      • 操纵子
        • 绝大多数原核生物基因按功能相关性成簇地串联、密集在染色体上，共同组成一个转录单位，称为操纵子
        • 由结构基因和调控区组成
        • 
      • 结构基因
        • Z、Y、A——札雅（意大利女包）
        • 分别编码β-半乳糖苷酶、通透酶、乙酰基转移酶
      • 调控区
        • I、C、P、O-International Criminal Police Organization
          • RNA聚合酶与启动序列P结合
        • 启动子PI
          • 调节基因I有独立启动子PI，编码阻遏蛋白，后者与O序列结合，可使操纵子受阻遏而关闭
    • （2)乳糖操纵子的调节机制——阻遏蛋白+CAP
      • ①阻遏蛋白的负性调节
        • 无乳糖存在时
          • 操纵子处于阻遏状态，抑制转录。在PI作用下，I基因表达阻遏蛋白，后者与O结合，阻碍RNApol与P结合，抑制转录启动
        • 有乳糖存在时
          • 
          • 操纵子被诱导激活转录。诱导剂：别乳糖、异丙基硫代半乳糖苷发挥作用
      • ②CAP(分解/代谢物基因激活蛋白)的正性调节
        • 
      • ③阻遏蛋白与CAP的协同调节
        • 
        • 
        • 在启动子上游还有一个CAP结合位点。？？？
  • 4、其他基因调控机制
    • 色氨酸操纵子
      • 主要通过阻遏作用、衰减作用，抑制基因表达
    • 转录终止阶段
      • 原核基因表达在转录终止阶段的调控机制
    • 翻译水平
      • 原核基因在翻译水平的多个环节受到精确调控
• 三、真核基因表达调控
  • 1、真核基因表达的特点
    • 
  • 2、真核基因激活后染色质结构的变化（偶考）
    • (1)转录活化的染色质对核酸酶极为敏感
      • 总变化
        • 基因被激活后，染色质相应区域会发生结构和性质变化
      • 转录活化区（超敏位点）
        • 当染色质活化后，常出现一些对核酸酶（DNase I）高度敏感的位点，称之为超敏位点。超敏位点通常位于被活化基因的5′-侧翼区1kb内。
        • 这些转录活化区是没有核小体蛋白结合的裸露DNA链
    • （2）转录活化染色质的组蛋白发生改变
      • 核小体
        • 是染色质的基本组成单位，4种组蛋白（H2A、H2B、H3、H4）各2分子组成的八聚体构成核小体的核心区，外面盘绕DNA双螺旋1.75圈，形成核小体的核心颗粒。
        • 组蛋白H1结合于DNA双链的进出口处，发挥稳定核小体结构的作用
      • 核小体解离
        • ①富含赖氨酸的H1组蛋白含量降低
        • ②H2A-1H2B组蛋白二聚体的不稳定性增加
        • ③H3、H4可发生乙酰化、磷酸化、泛素化修饰，使核小体变得松散而不稳定，易于基因转录
    • (3）CpG岛甲基化水平降低
      • 甲基化
        • DNA甲基化是真核在染色质水平控制基因转录的重要机制
        • DNA甲基化水平越高，基因的转录活性越低
      • CpG岛
        • CpG岛是指真核基因组中GC含量>60%的区段，甲基化修饰常发生于基因上游调控序列的CpG岛
        • 高甲基化（不利于转录）
          • 真核DNA中约5%胞嘧啶（C)可被甲基化修饰为5-甲基胞嘧啶
          • CpG岛高甲基化可促进染色质形成致密结构，不利于基因表达
        • 低甲基化（利于转录）
          • 处于转录活跃状态的染色质中，CpG岛的甲基化程度下降
  • 3、真核转录起始的调节
    • 转录起始特点
      • ①与原核一样，转录起始是真核基因表达调控的关键
      • ②真核转录起始过程较原核复杂，RNA pol需与多个转录因子相互作用，才能完成起始复合物的装配
      • ③装配速度决定着基因表达的水平
    • 转录起始调节
      • (1）顺式作用元件（4子）转录因子对转录起始的调节（直接）
      • (2）转录因子（反式作用因子）对转录起始（顺式作用元件）的调节（通过顺式作用元件间接发挥作用）
      • (3）转录起始复合物的组装对转录起始的调节
    • (1）顺式作用元件对转录起始的调节
      • 定义
        • 是指位于编码基因咐近，可影响自身基因表达活性的DNA序列
      • 功能
        • 绝大多数真核基因都受顺式作用元件的调控
        • 基因组中的顺式作用元件是转录起始的关键调节部位
      • 分类
        • 顺式作用元件分为：启动子、增强子、沉默子、绝缘子
          • 绝缘子阻断增强子/沉默子作用
      • 特点
        • 顺式作用元件常为非编码序列，不一定位于转录起始点上游，真核基因组中每个基因都有各自特异的顺式作用元件
      • ①启动子
        • 指RNA pol结合位点周围一组转录控制组件，-10～-200bp（碱基bp，核苷酸nt）
        • 真核启动子包括至少1个转录起始点（TSS）、1个以上的功能组件
        • 功能组件
          • TATA盒
            • TATAAAA，最有意义的功能组件，通常位于转录起始点上游-25~-30bp区域
            • 控制转录起始的准确性及频率
            • TATA盒是基本转录因子TF Ⅱ D的结合位点
          • CAAT盒
            • 共有序列GCCAAT，-30~-110bp区，C/EBP的结合位点
          • GC盒
            • 共有序列GGGCGG，-30~-110bp区，是Sp1的结合位点
        • 启动子与启动序列的鉴别——两者常混用
          • 
            • 核蛋白体即核糖体
      • ②增强子
        • 指真核基因转录调控区中能提高基因转录效率的一段IDNA序列
          • 长度约200bp，可使基因转录效率提高100倍以上
        • 功能
          • ①增强子与被调控基因位于同一条DNA链上，属顺式作用元件
          • ★②增强子是组织特异性转录因子的结合部位，与某些组织细胞中存在的特异转录因子结合时，方能表现出活性
          • ③增强子既可在基因的上、下游起作用，也可远距离实施调节
          • ④增强子的作用与序列的方向性无关（增强、沉默、绝缘子均有此属性）
          • ⑤增强子需启动子才能发挥作用，没有启动子，增强子无活性
          • ⑥增强子对启动子没有专一性，同一增强子可影响不同启动子
      • ③沉默子
        • 定义
          • A、是一类基因表达的负性调控元件，当其结合转录抑制因子时对基因转录起阻遏作用（9版生物化学P318）
          • B、指真核基因调控区中抑制、或阻遏基因转录的一段DNA序列
        • 功能
          • 沉默子与增强子类似，其作用不受序列方向性的影响，能远距离发挥作用，并可对异源基因的表达起作用
      • ④绝缘子
        • 绝缘子一般位于增强子或沉默子与启动子之间，与特异蛋白因子结合后，阻碍增强子或沉默子对启动子的作用
        • 功能
          • 绝缘子与增强子类似，发挥作用与序列的方向性无关
      • 衰减子（原核基因转录调控）
        • 在色氨酸操纵子中，前导序列发挥了随色氨酸浓度升高而降低转录的作用，对基因调控起负性调节作用
    • (2）转录因子（TF）对转录起始的调节
      • 真核生物RNA pol Ⅱ启动转录时，需要一些被称为转录因子（转录调节因子/蛋白）的蛋白质的帮助，才能形成具有活性的转录起始复合体。
      • 
      • 作用
        • ①绝大多数真核转录因子由其编码基因表达后，进入细胞核，与顺式作用元件特异性结合，而增强或降低相应基因的表达
        • ②大多数转录因子起反式调节作用，但也可起顺式调节作用，故转录因子也称为反式作用因子
      • 分类
        • 通用转录因子、特异转录因子
      • 分类
        • ①通用转录因子（基本转录因子）——TF Ⅱ D
          • 可帮助RNApol与启动子结合，起始转录，对所有基因都是必需
          • 组成
            • TFⅡD是由TBP（TATA结合蛋白）、8~10个TBP相关因子（TAFs）共同组成的复合物
          • 特点
            • TFⅡD是RNA pol结合启动子，所必需的一组蛋白质因子
            • TFⅡD决定3种RNA(tRNA、mRNA、rRNA）的转录类别
            • TFⅡD没有组织特异性，对于基因表达的时空选择性并不重要
        • ②特异转录因子
          • 为个别基因转录所必需，决定该基因表达的时间和空间特异性
          • 功能
            • 有的特异因子起转录激活作用：称为转录激活因子
              • 通常是增强子结合蛋白，与增强子结合
            • 有的特异因子起转录抑制作用：称为转录抑制因子
              • 通常是沉默子结合蛋白，与沉默子结合
      • ③转录因子的结构特点
        • 特点
          • 转录因子都是DNA结合蛋白
        • TF至少包括两个结构域：DNA结合结构域、转录激活结构域
        • 结构域
          • A、转录因子的DNA结合结构域
            • a、锌指模体结构
              • 
              • 是一类含Zn2+的模体，由23个AA组成，形成1个a-螺旋、2个反平行的β-折叠的二级结构。
              • 其N-端有2个Cys残基，C-端有2个His残组成基，4个AA残基在空间上形成一个洞穴，恰好容纳1个Zn2+，4个AA残基与Zn2+形成配位键。
              • 因Zn2+可稳固模体中的α-螺旋，使α-螺旋镶嵌于DNA大沟中，故含锌指结构的蛋白质都能与DNA结合
              • 功能
                • 功能形似手指，具有结合zn2+的功能
            • b、碱性螺旋-环-螺旋模体（bHLH）
              • 钙结合模体？？？
              • 模体由两个α-螺旋、一个短肽段形成的环连接而成
                • 其中一个α-螺旋的N-端富含碱性氨基酸，为DNA结合域
              • 功能
                • 本模体以二聚体形式存在，两个a-螺旋的碱性区之间的距离大约与DNA双螺旋的一个螺距相近，使两个a-螺旋的碱性区刚好分别嵌入DNA双螺旋的大沟内
            • c、碱性亮氨酸拉链模体结构
              • 在蛋白质C-未端，每隔6个氨基酸残基出现一个疏水性的亮氨酸残基。当C-未端形成α-螺旋（3.6）时，肽链每旋转两周（7.2），就出现一个亮氨酸残基，且都出现在α-螺旋的同一侧，形同拉链
              • 功能
                • N-端是富含碱性氨基酸的区域，可以借助其正电荷与DNA骨架上的磷酸基团结合
          • B.转录因子的转录激活结构域
            • 
              • 
      • ④转录因子(反式作用因子）与顺式作用元件的总结
        • 
    • (3)转录起始复合物（PIC）的组装对转录起始的调节
      • RNA pol
        • DNA元件与调节蛋白对转录激活的调节最终是由RNA pol活性体现的，其中的关键环节是转录起始复合物的形成
      • PIC
        • ①RNA pol Ⅱ不能单独识别、结合启动子，而是先由TFIⅡD识别、结合启动子，然后其他TF加入，形成PIC
        • ②转录激活因子、中介子、染色质重塑因子等调节复合体也可参与PIC的形成，使RNA pol Ⅱ得以启动mRNA的转录
        • 
  • 4、真核转录后的调控——主要影响mRNA的结构与功能
    • (1）影响mRNA稳定性的因素
      • 5'-加帽
        • 可防止5'-核酸外切酶对mRNA的降解，增加mRNA的稳定性
      • 3'-加尾
        • 可防止3'-核酸外切酶对mRNA的降解，增加mRNA的稳定性
    • （2)一些非编码小分子RNA可引起转录后基因沉默
      • 定义
        • 某些小分子RNA可调节真核基因表达，这些RNA都是非编码RNA(ncRNA)，如核酶（即催化小RNA）、snRNA（核小RNA）、snoRNA（核仁小RNA）、miRNA（微RNA）、siRNA（干扰RNA）
      • 特点
        • 小分子RNA对基因表达的调节十分复杂
    • （3）mRNA前体的选择性剪接——可以调节真核基因表达
      • 剪接
        • hnRNA需要经过选择性剪接内含子、连接外显子后成为一个成熟的mRNA，才能被翻译成为一条相应的多肽链
      • 意义
        • 对hnRNA选择性剪接可以产生不同的成熟mRNA，并由此产生完全不同的蛋白质。这显示了基因调控对生物多样性的决定作用
  • 5、真核基因表达在翻译、翻译后的调控
    • （1）翻译起始因子eIF活性的调节——通过磷酸化修饰进行
      • elIF-2α的磷酸化
        • 可阻碍eIF正常运行，从而抑制翻译起始
      • eIF-4E、eIF-4E结合蛋白的磷酸化
        • 帽结合蛋白（eIF-4E）与mRNA帽结构的结合，是翻译起始的限速步骤，磷酸化修饰可激活翻译起始
    • （2）RNA结合蛋白（RNP）对翻译起始的调节
      • RNP是指那些能与RNA特异序列结合的蛋白质
      • 举例
        • 铁蛋白相关基因的mRNA翻译调节，就是RBP参与基因表达调控
      • 功能
        • 基因表达的许多环节都有RNP的参与，如转录终止、RNA剪接、 RNA转运、RNA在细胞质内稳定性控制、翻译起始等
    • （3）对翻译产物水平及活性的调节——可快速调节基因表达
      • 半衰期
        • 新合成蛋白质的半衰期长短是决定蛋白质生物学功能的重要影响因素。通过对新生肽链的水解、运输，可以控制蛋白质浓度在特定部位或亚细胞器的水平
      • 加工修饰
        • 许多蛋白质需要在合成后经过特定的修饰才具有功能活性通过对蛋白质的磷酸化、甲基化、酰基化修饰，可以调节蛋白质的作用，是基因表达的快速调节方式
    • (4)小分子RNA对基因表达的调节——miRNA和siRNA
      • ①miRNA
        • 特点
          • 22bp，单链结构经RNA polⅡ催化，由一段具有发夹结构的前体加工而成miRNA与其他蛋白质共同组成RNA诱导的沉默复合体RISC
          • 沉默复合体RISC通过与靶mRNA3'-UTR互补匹配结合，降解该mRNA，抑制其翻译
        • 加工
          • pri-miRNA→pre-miRNA→单链miRNA→RISC→靶mRNA降解
      • siRNA（干扰小RNA）
        • 特点
          • 21~23bp，经酶切水解称为成熟的siRNA。siRNA参与形成RNA诱导的沉默复合体(RISC)，通过与靶mRNA完全互补结合，降解该mRNA，阻断翻译过程
          • 加工
            • dsRNA→siRNA→RISC→靶mRNA降解
      • miRNA大致互补结合、siRNA需要完全互补结合
      • siRNA是双链
      • ③siRNA和miRNA的比较
        • 
    • （5)长非编码RNA（IncRNA）对基因表达的调节
      • IncRNA是一类转录本长度>200nt的RNA分子
      • 功能
        • 一般不直接参与基因编码、蛋白质合成，但是可在表观遗传水平、转录水平、转录后水平调控基因的表达
  • 6、原核生物和真核生物基因表达调控的比较
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